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                        5G語音方案研究

                        http://www.vmoj.tw ( 2018/9/12 17:45 )

                        【摘要】本文對5G網絡下包含VoNR及EPS fallback等在內的語音技術進行了介紹,涉及5G語音方案相關的網絡架構、基本業務流程等層面。并針對現有語音方案流程設計,提出了存在的問題,以及可能的解決方向。 

                        1   引言

                        4G LTE開始,語音實現方案就不再僅僅是2G/3G網絡,單純通過電路域網絡提供如語音業務和其他增值業務,而是設計通過IP多媒體子系統(IMS,IP Multimedia Subsystem)實現將語音業務承載在IP網絡,也即VoLTE(Voice over LTE)的方式,實現將2G/3G電路域所有業務在4G網絡全部“IP化”。4G網絡的逐步部署擴展過程中,處于對網絡發展的不同階段及對語音業務連續性的考慮,4G還提出了如電路域回落(CSFB,Circuit Switched Fallback)及單無線語音呼叫連續性(SRVCC,Single Radio Voice Call Continuity)等過渡方案。

                        5G NR語音方案設計,延續了4G LTE通過IP網絡承載語音業務的方式,通過5G網絡(無線網+核心網)和IMS系統承載語音業務,該種方式稱為VoNR(Voice over NR)。同樣地,考慮大道5G不同階段部署規模不同,而4G網絡已經廣泛部署并可能在未來長期存在,以及對語音業務連續性保證的需求,回落方案設計也是十分必要的,因此演進的分組系統回落(EPS fallback)方案也是5G語音方案的一種。這里EPS fallback主要指回落到4G通過VoLTE的方式實現語音業務,但由于4G網絡存在多種語音方案,當4G網絡無線環境較差時,不可避免地,UE會通過如CSFB的方式,完成語音業務。

                        2   5G語音方案介紹

                        2.1  方案介紹

                        在概述部分,本文以簡單介紹了5G網絡中可能存在的語音方案。

                        (1)VoNR:基于IMS網絡的5G NR 語音解決方案,架構在5G NR網絡上,全IP條件下,基于IMS server的端到端語音方案。VoNR通過部署IMS,可以實現語音業務和數據業務并發,所有業務都通過5G網絡承載,但語音業務需要IMS進行業務控制。

                        (2)EPS fallback:借助4G網絡語音業務的方案。

                        1)VoLTE:基于IMS網絡的5G NR 語音解決方案,架構在5G NR網絡上,全IP條件下,基于IMS server的端到端語音方案。VoLTE方案可以保證話音質量,但需要4G網絡和5G網絡間的互操作,語音業務發起時延相較VoNR會更長,同時也需要部署IMS。

                        2)CSFB:終端在LTE接入下能夠發起話音業務等CS業務,以及接收到話音等CS業務的尋呼,并且能夠對終端在LTE網絡中正在進行的PS業務進行正確地處理的技術。終端在LTE接入下能夠發起話音業務等CS業務,以及接收到話音等CS業務的尋呼,并且能夠對終端在LTE網絡中正在進行的PS業務進行正確地處理的技術。當前版本,5G不支持和2/3G網絡的交互,因此要發起CSFB,首先需要回落到4G網絡。當前版本,5G不支持和2G/3G網絡的交互,因此要發起CSFB,首先需要回落到4G網絡,通過這種方案實現語音業務,時延最長,但是該方案對終端的要求比較低。

                        5G網絡部署初期,如果5G網絡是獨立部署(SA)的,通過EPS fallback方式回落4G,通過VoLTE甚至CSFB實現語音業務,可以減少切換,確保語音的連續性。但隨著5G網絡部署的逐步成熟,VoNR將逐步成為5G主流語音方案。

                        2.2  網絡架構

                        (1)VoNR

                        與4G網絡相似,通過5G核心網(5GC,5G core network),網絡就可以滿足運營商的業務需求,但是這種通過分組交換(PS,Packet Swith)實現的業務提供的是一種盡力而為的服務,不保證服務質量,而語音業務對于對于話音質量有較高的要求,特別是相較2/3G通過電路分組(CS,Circuit Switch)提供的是較為穩定的高質量業務。因此,5G網絡也需要通過部署IMS系統為語音業務提供語音質量的保證。

                        除了為業務提供質量保證外,IMS系統還提供策略和計費控制(PCC,Policy and Charging Control)。通過5G網絡提供VoNR的網絡架構如圖1所示:

                        圖1    通過5GS連接IMS提供語音業務

                        (2)EPS fallback

                        根據前面的介紹,我們知道,EPS fallback方式需要5G網絡和4G網絡間的互操作完成語音業務,由于CSFB方案是UE在回落到4G基礎上進行二次回落,因此這里我們僅對通過EPS fallback方式回落到4G通過VoLTE方式完成語音業務進行網絡架構的介紹,如圖2所示:

                        圖2    通過EPS fallback提供語音業務的網絡架構

                        與VoNR網絡架構相比,通過(EPS fallback回落后)VoLTE完成語音業務,網絡仍需部署IMS系統,同時,需要4G網絡來完成語音業務。

                        2.3  基本流程

                        對于一個用戶終端(UE,User Equipment)來說,不論他要發起何種業務,都要經歷網絡注冊、業務發起、資源釋放等過程,語音業務亦是如此。對于一個5G UE,如果他要在5G網絡上發起語音業務,需要經歷5G網絡注冊(5GC Registration)、IMS系統注冊(IMS Register)、業務發起、資源分配、資源釋放等過程。下面將從注冊過程(包含5G網絡注冊和IMS系統注冊)以及業務發起及資源分配兩部分對5G語音實現進行介紹。

                        2.4  注冊過程

                        (1)5G系統注冊

                        對于任意一個用戶終端,當其開機后,都需要首先附著到5G網絡中,以便可以獲取相應的服務。在初始接入過程中,網絡會從UE處獲取PEI(),AMF將會用EIR()對UE 的PEI檢測,并將PEI發送給UDM、SMF、PCF等。在網絡注冊過程中,UE還會將注冊類型、UE能力、安全參數的信息發送給網絡。根據UE提供的信息,網絡對UE進行身份驗證、接入控制等。當網絡接受該UE時,會給UE反饋注冊接收(Registration Accept)消息,在這條信息中會包含如5G-GUTI、注冊區域、移動性限制條件、PDU會話在、語序的NSSAI、注冊更新定時器周期、LADN信息與MICO模式,以及是否支持通過PS會話實現IMS語音的指示,以及網絡是否支持N26接口時的互操作。 其中以及是否支持通過PS會話實現IMS語音的指示、網絡是否支持N26接口時的互操作兩項會對UE選擇語音實現方案有一定的影響。圖3是5G系統注冊流程圖。

                        圖3    5G系統注冊流程圖

                        這里“是否支持通過PS會話實現IMS語音的指示”是AMF根據UE能力和網絡能力的匹配情況設定的,為了設定該值,AMF會發起UE能力和兼容性查詢流程,且AMF設定該值后可在后續定期更新該值。具體來說AMF會在以下情況任意一個滿足的條件下將該指示設置為“支持”。

                        1)網絡能夠在當前注冊區域中通過支持語音的5G QoS流在PS會話上提供成功的IMS語音;

                        2)如果網絡無法通過連接到5GC的NR-RAN上的PS會話提供成功的IMS語音,但能夠執行以下操作之一:

                        ◆如果連接到5GC的E-UTRA支持IMS語音,并且NG-RAN支持切換或重定向到連接到5GC的E-UTRA,并未該UE建立用于IMS語音的QoS流;

                        ◆如果UE支持切換到EPS,則EPS支持IMS語音,并且NG-RAN支持切換到EPS,并為UE建立用于IMS語音的QoS流建;

                        ◆如果UE支持重定向到EPS,則EPS支持IMS語音,并且NG-RAN支重定向到EPS,并為UE建立用于IMS語音的QoS流建立。

                        區別于4G網絡附著(Attach)過程,在5G網絡注冊過程中網絡并不會為UE建立默認承載提供一直在線的服務。因此,如果該UE還是IMS用戶,當UE完成注冊后,由于還需進行IMS域注冊,因此需要建立相應的承載/QoS流來承載注冊信令

                        (2)IMS域注冊

                        作為一個相對獨立的系統,IMS需要用戶在IMS服務前進行鑒權和授權,因此與5G系統的注冊相似,IMS域的注冊過程也是網絡和UE間進行雙向鑒權的過程。

                        在該過程中,UE通過發出Register(注冊請求)消息,啟動IMS域的注冊過程。注冊請求消息中會包含如用戶表示、用戶信息、會話描述信息等,注冊請求消息首先會到達P-CSCF;之后,P-CSCF通過DNS得到用戶歸屬網的I-CSCF并將注冊消息轉到I-CSCF;通過查詢HSS,I-CSCF會為UE選擇一個S-CSCF并將消息轉到S-CSCF,然后S-CSCF借助從HSS獲取的用戶認證信息(如簽約信息、安全信息等),并UE進行鑒權數據的計算和反饋;在此只有,UE會發起二次注冊,并反饋計算數據,S-CSCF通過比較,確認UE為合法用戶后下發消息告知UE注冊成功。圖4為IMS注冊流程圖。

                        圖4    IMS注冊流程圖

                        2.5  業務發起及資源分配

                        一般來說,當UE完成5GS注冊及IMS域注冊,而沒有業務發起時,會釋放連接,進入空閑態,但是對于一個UE,從連接態或空閑態發起業務都是有可能的。這里,我們假設當UE完成2.3.1中所述注冊后進入了空閑態,當其要作為主叫用戶發起語音業務時會經歷以下幾個階段:1)語音域選擇;2)語音方案確定。

                        (1)語音域選擇(Access Domain Selection)

                        本文所討論的基礎是,UE在5G網絡中注冊、駐留,一般來說UE也應該通過5G系統實現語音業務,但是存在一些情況,5G網絡不能為UE提供語音服務,需要UE重選或重定向到4G或2G/3G小區去,語音域選擇過程就是為了解決該問題。

                        UE進行接入域選擇時會考慮以下因素:

                        1)UE在IMS域的狀態:注冊或未注冊;

                        2)上文所提到的“是否支持通過PS會話實現IMS語音的指示”;

                        3)UE希望通過“語音業務為中心”還是“數據業務為中心”的方式接入5G系統;

                        4)UE對IMS PS語音的支持能力;

                        5)UE在雙注冊模式下進行所選PDU會話轉換的能力;

                        6)3GPP PS Data Off是否激活以及IMS語音是否包含在3GPP PS Data Off Exempt Services中。

                        如果UE不能在5G系統使用IMS進行語音業務,如因為“否支持通過PS會話實現IMS語音的指示”為“不支持”,也即5G系統不支持語音業務,UE則會根據“語音業務為中心”或“數據業務為中心”來選擇是否留在5G系統。

                        對于將5G系統設置為“語音業務為中心”的UE,他會盡可能的保證語音服務。對于這樣的UE,如果他同時支持5GC能力和EPC能力,而不能在5G系統獲得語音服務,他在小區選擇時將不會選擇只能連接到5GC的小區(5G中支持及連接到5GC同時連接到EPC的小區)。UE會通過禁用5GC能力,然后進行小區重選,盡可能的先選擇大連接到EPC的LTE 小區,按照4G語音方案進行如語音域選擇,方案選擇等實現語音業務;

                        而對于設置5G系統設置為“數據業務為中心”的UE,即便當前小區不能時間語音業務,也不會進行小區重選。

                        (2)語音方案確定

                        不同于4G語音方案中,UE可以根據自己的選擇發起VoLTE還是CSFB(通過發送Service Request或Extended Service Request來區分),5G系統中,UE僅通過發送Service Request告知網絡自己需要發起語音業務,而具體實現方式由網絡決定。圖5為UE語音方案確定過程:

                        圖5    UE語音方案確定

                        1)UE駐留在5G系統的NG-RAN上,并進行MO/MT IMS語音會話建立的初始化,也即UE會發送Invite信令到IMS域。

                        2)網絡發起PDU會話修正過程以便通為通過NG-RAN實現的語音建立QoS流。

                        3)如果NG-RAN配置支持對IMS 語音進行EPS fallback,RAN側會將UE能力、AMF關于是否支持通過重定向發起語音業務、網絡配置(如是否配置了N26接口)、以及當前無線條件等因素綜合考慮,來決定是為UE發起EPS fallback還是通過5G系統提供VoNR。為了進行該判定,RAN側可能會對LTE小區進行測量。

                        4)如果無線側判定要通過EPS fallback方式來實現語音業務,無線側會拒絕PDU會話修正過程來為IMS語音建立QoS流,并告知SMF和PGW-C由于IMS語音回落要發生移動性,然后根據UE能力,網絡配置等,發起切換或重定向過程。當UE接入到EPS后,SMF/PGW重新發起專用承載建立過程,為語音業務建立承載,然后進行IMS會話建立等過程;如果無線側判定可以通過5G系統提供語音業務,則會接收PDU會話修正請求,通過RRC重配建立相應的QoS流/承載,然后進行IMS會話建立等過程。

                        無論是通過VoNR還是VoLTE完成語音業務,IMS會話建立的過程都是類似的,只是因為5G核心網和4G核心網架構及網元功能分配不同上略有不同,這里不再做介紹。

                        3   語音方案優化方向

                        通過上文對5G系統中語音方案的介紹,可以發現,相較4G網絡,5G網絡從架構上就存在更多的可能性,如存在4G基站接入到5G核心網的情況,這為5G語音業務的實現提供了更多的多樣性;此外,本身5G語音方案,繼承和改進了4G方案,方案選擇上也有更多可能。這些多樣性的存在一方面為保證用戶在5G系統中完成語音業務提供了保障,另一方面也帶來了一些問題。

                        (1)能力匹配問題

                        不同于4G網絡中實現語音業務,5G網絡中存在多種語音方案,這也意味著網絡和UE所支持或所偏好的語音方案可能有差異,從而造成網絡和終端能力不匹配問題;另外,根據前文所述,由于5G網絡支持LTE連接到5G核心網的情況,且由于4G基站的廣泛部署,該中架構也將極有可能在未來的5G網絡中廣泛存在。多種架構的存在,也更加劇了“是否支持通過PS會話實現IMS語音的指示”的不明確性,UE無法向在4G網絡中那樣根據該指示明確網絡現狀與自己能力的匹配程度,這會造成UE語音業務無法實現或者增大實現的時延。

                        要解決上述問題,可以從“是否支持通過PS會話實現IMS語音的指示”的明確性提升入手,也可以在UE注冊或者發起業務過程中通過更多的細致的能力匹配判斷來避免這一問題,及早發現能力的不匹配,讓UE選擇合適的無線小區發起業務。

                        (2)時延優化問題

                        在能力不匹配問題中,我們提到了由于能力不匹配可能造成UE發起語音業務時延增大的問題,對此將不一一贅述。

                        另外,通過前文的方案介紹我們可以發現,相比4G語音方案,5G語音方案的決策權都在網絡側,這樣做雖然能夠保證網絡的可控性,但細細研究現有流程也能夠發現,現有流程中網絡的決策時刻較晚,在此之前,會有很多UE和5G網絡、IMS的交互,一定程度上也增大了UE的語音業務發起時延,特別是當網絡決定讓UE進行EPS fallback情況下。對于該問題,可考慮借鑒LTE中UE發起不同語音方案的方式,以及將網絡決策點提前等方式來解決。

                        (3)語音業務連續性問題

                        語音業務的連續性是語音業務的一大重要指標,保證語音業務連續,提供高用戶體驗是十分必要的。由于當前協議版本暫不支持5G和2G/3G之間的互操作,因此也不支持通過使用SRVCC的方式到UTRAN完成語音業務,在一些場景下,發生移動性時會存在語音連續性問題,圖6所示為集中可能存在語音業務不連續的場景:

                        場景1 

                        場景2

                        場景3

                        圖6    語音業務不連續場景示意

                        其中場景1為UE所處網絡中,運營商支持VoNR和VoLTE,但由于部署不完善,發生移動性時,UE移動到一個VoNR和VoLTE的空洞處,造成掉話;場景2為運營商部署了VoNR和LTE,但在LTE網絡中未配置VoLTE,當UE從5G網絡移動到4G網絡中時便會發生電話;場景3為在一些國家和地區,本身沒有部署4G而是只部署了2G/3G,后續直接部署5G,而5G和2G/3G網絡間的互操作又不被支持,當UE移動出5G網絡后,便會發生掉話。

                        針對這個問題,最直接的解決方案是支持5G和2G/3G網絡間的互操作,避免4G、5G網絡部署帶來的空洞等問題,或者考慮如D2D,V2X等方式進行彌補。

                        4   結束語

                        本文根據現有協議標準進度,介紹了5G網絡語音方案,從網絡架構、工作流程等層面對語音方案進行了說明。之后基于對現有流程的理解和認識,對能力匹配、時延優化、語音業務連續性等方面進行了分析,探究了當前語音方案的問題,并提出了一些可能的優化方向,為后續5G語音方案的優化、落地指明了方向。★

                        作者:劉瀟蔓 陳卓   來源:《移動通信》

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                        本文關鍵字: 網絡96, 4G34, LTE13, 3G10, 增值業務1, IP7, 多媒體1, IMS54, 運營商3, 分組交換1, 移動7, PDU5, Qos8, UTRA2, 信令2, 3GPP2, 基站2

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